專利名稱：最小化在使用激光器的材料移除期間的熱效應(yīng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般來(lái)說(shuō)涉及最小化從用于機(jī)械加工以從部件移除材料的激光器產(chǎn)生的熱效應(yīng)。
背景技術(shù)：
例如計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)或金剛石鋸割系統(tǒng)等機(jī)械系統(tǒng)是用以裁切塑料、金屬片或無(wú)機(jī)板的主導(dǎo)工具。有時(shí)，此種應(yīng)用需要用于裁切的尖銳拐角。在此情況下，需要小直徑的鉆頭來(lái)實(shí)現(xiàn)所述尖銳拐角。通常，減慢工藝速度以避免此些鉆頭的損壞。有時(shí)，材料涂覆有易碎層。在此情況下，機(jī)械系統(tǒng)也減慢工藝速度以最小化易碎層中的破裂。替代工具是基于激光的系統(tǒng)，其可減少易碎層中的破裂及/或使小裁切特征可行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例提供用以使用激光器切割片材料的工藝的改善。一個(gè)此種改善包含(舉例來(lái)說(shuō))使用激光器的第一刀具路徑執(zhí)行第一多個(gè)路線且在使用所述第一刀具路徑執(zhí)行所述第一多個(gè)路線之后使用激光器的第二刀具路徑來(lái)執(zhí)行至少一第二路線，所述第二刀具路徑從由于執(zhí)行執(zhí)行所述第一多個(gè)路線而由激光器形成的切口橫過。當(dāng)結(jié)合附圖閱讀以下說(shuō)明時(shí)，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明了關(guān)于本發(fā)明的此應(yīng)用及其它應(yīng)用的變化形式及細(xì)節(jié)。


本文中的說(shuō)明是參照附圖，其中在數(shù)個(gè)視圖中相同的參考編號(hào)指代相同的部件， 且附圖中圖1是通過比較若干個(gè)路線對(duì)切割深度而展示蝕刻的飽和的曲線圖；圖2A及圖2B是在激光處理期間切口的橫截面的經(jīng)簡(jiǎn)化示意圖；圖3是并入有本發(fā)明的實(shí)施例的系統(tǒng)的經(jīng)簡(jiǎn)化示意圖；圖4A是由激光器產(chǎn)生的矩形脈沖的時(shí)間曲線；圖4B是由Rf泵浦脈沖C02激光器產(chǎn)生的慢上升或三角形脈沖的放大示波鏡輸出；圖4C是針對(duì)具有兩個(gè)不同時(shí)間曲線的不同激光脈沖比較材料中的溫度上升的曲線圖；圖5A是通過多個(gè)矩形脈沖處理的切口的經(jīng)放大俯視圖；圖5B是通過具有慢上升時(shí)間的多個(gè)脈沖處理的切口的經(jīng)放大俯視圖；圖6A是在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的兩步驟工藝的第一步驟中切割的切口的橫截面的經(jīng)簡(jiǎn)化示意圖；圖6B是在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的兩步驟工藝的第二步驟中切割的切口的橫截面的經(jīng)簡(jiǎn)化示意圖6C是在根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的兩步驟工藝的第二步驟中切割的切口的橫截面的經(jīng)簡(jiǎn)化示意圖；圖7A是在根據(jù)圖6A的第一步驟中的激光路線的經(jīng)簡(jiǎn)化平面圖；圖7B是在根據(jù)圖6B或圖6C的第二步驟中的激光路線的經(jīng)簡(jiǎn)化平面圖；圖8是根據(jù)在根據(jù)圖6A的第一步驟中的變化數(shù)目個(gè)激光路線處理的切口的經(jīng)放大橫截面圖 ’及圖9是展示關(guān)于圖6A到圖6C、圖7A及圖7B所描述的各種工藝方法的燒蝕對(duì)路線數(shù)目的曲線圖。
具體實(shí)施例方式當(dāng)通過激光器裁切例如塑料、聚合物或金屬片等厚材料的一部分時(shí)，熱效應(yīng)呈現(xiàn)為鈍邊緣，尤其在拐角上或小曲率上。鈍邊緣與其它區(qū)域不同地反射光，且結(jié)果是熱環(huán)沿所切割切口呈現(xiàn)。當(dāng)切口在塑料片內(nèi)部足夠深時(shí)，蝕刻速率傾向于飽和，如下文更詳細(xì)地論述。切口內(nèi)部可產(chǎn)生火焰。作為結(jié)果發(fā)生的沿切口的熔融及碳化使工藝質(zhì)量及所得產(chǎn)品的質(zhì)量降級(jí)。在使用包括光纖激光器的固態(tài)激光器或氣體激光器的情況下，通常需要單個(gè)路線的多個(gè)重復(fù)來(lái)切割穿過厚材料，此取決于蝕刻速率。即使此種工藝通過大脈沖能量或功率在單次路線上減少這些問題，仍可在材料內(nèi)部載入熱量。因此，例如鈍邊緣或者膨脹或脫色等熱效應(yīng)可在切口處呈現(xiàn)。本發(fā)明的實(shí)施例尋求通過最大化激光器與正在處理的材料之間的耦合而最小化熱效應(yīng)且優(yōu)化材料移除。在由特定材料制成的部件的激光燒蝕期間，使用激光器來(lái)獲得干凈的工藝，所述激光器具有具有高吸收的波長(zhǎng)且具有短脈沖(與材料的熱松弛時(shí)間相比)。當(dāng)將具有大脈沖能量或高功率的高流量施加到材料時(shí)，隨著切口變得更深，因激光燒蝕而產(chǎn)生的等離子及/或細(xì)小粒子捕集于切口內(nèi)部。接著，等離子及/或粒子與入射束之間的交互變得顯著，因此產(chǎn)生飽和。圖1展示其上具有相對(duì)厚的易碎涂層的約Imm厚聚碳酸酯或ABS襯底的此飽和的實(shí)例。如圖1中所示，隨著路線的數(shù)目增加，所實(shí)現(xiàn)的深度類似地增加。此增加對(duì)于少量路線為大致線性的。然而，一旦路線的數(shù)目達(dá)到某一點(diǎn)(此處為在約6個(gè)路線處)，蝕刻開始飽和。也就是說(shuō)，熱效應(yīng)干擾路線，使得不能夠?qū)崿F(xiàn)增加的深度。在不受理論限制的情況下，數(shù)個(gè)損失機(jī)制被視為有責(zé)任，等離子對(duì)入射激光束的吸收，入射束通過小粒子的散射、焦深及/或強(qiáng)度變化。舉例來(lái)說(shuō)，在數(shù)個(gè)路線之后，激光強(qiáng)度在切割中可不如在頂部表面處深。等離子對(duì)激光的吸收與波長(zhǎng)成比例。散射與波長(zhǎng)的四次冪成反比。經(jīng)由吸收的交互增加等離子的溫度，此可使附近材料變熱。此外，等離子對(duì)入射束的吸收可導(dǎo)致工藝速度及質(zhì)量的降低。此圖解說(shuō)明于圖2A及圖2B中。圖2A是在使用激光器(由入射束12表示)的第一路線之后的切口 10的橫截面。在用以增加切割的深度的隨后路線期間，等離子(被燒蝕材料)14在蝕刻期間累積且可捕集于切口 10的溝槽中。—個(gè)可能的解決方案是執(zhí)行隨后的路線，同時(shí)改變刀具路徑中的激光參數(shù)，尤其是改變激光束及/或工件的ζ軸(ζ高度)位置，如圖2B中示意性地展示(未按比例)。通過改變?chǔ)戚S位置，比原本在使用第一刀具路徑的重復(fù)的路線的情況下將發(fā)生的更多的入射束12可經(jīng)由等離子14到達(dá)切口 10，因?yàn)榈入x子14不阻擋入射束12的整個(gè)路徑?？赏ㄟ^激光器的路線中的橫向移位(例如，激光束及/或工件的χ軸移位)來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)于最小化或避免等離子14的干擾的額外益處，使得一個(gè)或一個(gè)以上額外路線在原始路線附近發(fā)生，但增大等離子14可捕集于其處的區(qū)域以使得其更容易地分散。下文更詳細(xì)地描述本發(fā)明方法及其工藝控制的細(xì)節(jié)。本發(fā)明的實(shí)施例可并入到例如在2008年7月31日公開的第2008/0179304A1號(hào)美國(guó)專利公開案中所描述的對(duì)激光系統(tǒng)的控制中，所述美國(guó)專利公開案的整體內(nèi)容以引用方式并入本文中。圖3展示本發(fā)明可并入于其中的處理一片片材料16的激光系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例。在圖3中，連續(xù)波(CW)C02激光器18及聲光調(diào)制器(AOM) 20配置為亞微秒激光功率控制器/光閘。也可使用準(zhǔn)CW C02激光器。AOM 20也配置為CW激光器18的脈沖發(fā)生器。 在另一實(shí)施例中，AOM 20可配置為脈沖激光器的脈沖選擇器。AOM 20也可經(jīng)配置以用于調(diào)整脈沖能量及重復(fù)速率，使得處理可不僅在恒定速度周期期間發(fā)生，也可在加速及減速周期期間發(fā)生。任選地定位于CW激光器18與AOM 20之間的是隔離器22(舉例來(lái)說(shuō)，其為布魯斯特窗)及光閘對(duì)。如果隔離器22及光閘M經(jīng)并入，那么準(zhǔn)直儀沈可任選地定位于隔離器22與光閘M之間。依據(jù)由AOM 20選擇的偏轉(zhuǎn)角度，激光束被從AOM 20引導(dǎo)到束流收集器觀或經(jīng)由反射相位延遲器(RPR)32引導(dǎo)到第一反射鏡30。第一反射鏡30經(jīng)由任選變焦距透鏡系統(tǒng) 34將來(lái)自AOM 20的激光束引導(dǎo)到第二反射鏡36，第二反射鏡36引導(dǎo)激光束穿過光圈38。 光圈38包含位于激光束路徑中鄰近第二反射鏡36的第一透鏡38a、鄰近第一透鏡38a的光圈38b及位于光圈38b的相對(duì)側(cè)上的第二透鏡38c?？蓪⒌谝煌哥R38a改變?yōu)榭臻g修改元件，例如衍射光學(xué)器件?？蓪⒋蠖Y帽束與此些衍射光學(xué)器件一同使用。此外，替代第二反射鏡36，可并入分束器以除將激光束的一部分引導(dǎo)到光圈38外也將激光束的一部分引導(dǎo)到功率監(jiān)視器，所述功率監(jiān)視器經(jīng)配置以將激光功率控制提供到AOM 20。光圈38將激光束引導(dǎo)到位于X、Y臺(tái)(載物臺(tái))上的處理頭。為簡(jiǎn)單起見，由透鏡40表示處理頭及載物臺(tái)。 處理頭將激光束引導(dǎo)到在額外臺(tái)工作表面42上對(duì)準(zhǔn)的片材料16。當(dāng)然，且如也在2008年 7月31日公開且整體內(nèi)容以引用方式并入本文中的第2008/0181269Α1號(hào)美國(guó)專利公開案中所描述，系統(tǒng)可并入有額外組件，例如一個(gè)以上AOM 20，以將多個(gè)激光束從CW激光器18 分布到多個(gè)處理頭。所展示的分片式CW激光器18的一個(gè)益處是其使得光圈38能夠在脈沖間持續(xù)時(shí)間期間冷卻且避免光圈38中的過度熱負(fù)載。從以上說(shuō)明可清楚，此布置中可存在變化，且本發(fā)明的實(shí)施例可并入到各種系統(tǒng)配置中。作為額外實(shí)例，盡管包括RPR 32以確保片材料16的表面處的入射束12圓偏振以幫助實(shí)現(xiàn)均勻的工藝而不管工藝方向如何，但此組件并非是必需的。此外，AOM 20提供尖銳矩形脈沖，且將光圈38b處的經(jīng)消減束傳送到片材料16的光圈38b與三個(gè)透鏡38a、38c、 40的組合提供尖銳空間邊緣。根據(jù)某些實(shí)施例，期望具有一個(gè)或兩個(gè)組件。然而，兩者均非是必需的。如本文中所描述，舉例來(lái)說(shuō)，可在本發(fā)明的實(shí)施例中使用來(lái)自CW激光器18的慢上升時(shí)間脈沖，但此是較不期望的。至少一個(gè)控制器44并入到圖3的系統(tǒng)中以控制各種組件，例如載物臺(tái)及AOM 20。 控制器44可為標(biāo)準(zhǔn)微控制器，其包括中央處理單元(CPU)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)及接收輸入信號(hào)及發(fā)送控制系統(tǒng)且執(zhí)行如本文中所描述的某些工藝步驟所需要的輸出信號(hào)的輸入/輸出端口。本文中所描述的功能通常是存儲(chǔ)器中所存儲(chǔ)的編程指令且由CPU的邏輯執(zhí)行。當(dāng)然，執(zhí)行本文中所描述的功能的控制器可為使用外部存儲(chǔ)器的微處理器或可包含與其它集成邏輯電路組合的此種微處理器或微控制器的組合?？刂破?44通常并入到具有用于輸入用于工藝控制的命令且用于監(jiān)視工藝控制的屏幕及輸入裝置 (例如，鍵盤)的個(gè)人計(jì)算機(jī)中或與所述個(gè)人計(jì)算器一起工作。根據(jù)本文中的教示，通過最小化接觸燒蝕部14的入射束12，可通過使激光功率的僅用于使片材料16變熱因此產(chǎn)生材料的變形及/或脫色的部分最小來(lái)改善激光器-材料
華禹合。圖4A表示具有使用根據(jù)圖3的系統(tǒng)產(chǎn)生的小于1 μ sec上升時(shí)間的所謂矩形脈沖。與所謂的三角形脈沖相比，矩形脈沖并入有相對(duì)短的上升時(shí)間，三角形脈沖具有相對(duì)長(zhǎng)的上升時(shí)間，使得脈沖花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到升高的溫度以燒蝕片材料16。此種慢上升時(shí)間脈沖的示波器輸出展示于圖4B中。在圖4B中可見，脈沖上升時(shí)間為約300 μ sec且脈沖寬度接近 400 μ sec (FffHM)。可使用熱量方程式(1)來(lái)估計(jì)材料的熱動(dòng)力學(xué)，也就是說(shuō)，基于熱量源(例如，激光脈沖)的施加，材料隨時(shí)間多么快地發(fā)熱及變涼dTjht = kV2T + a*I(xfy,z)*Vfcp ；其中T (χ, y，ζ, t)為材料在空間及時(shí)間上的溫度；k為材料的熱導(dǎo)率；α為材料的吸收系數(shù)；I (x, y，t)為入射輝光的未被反射部分；V為材料的摩爾體積；Cp為材料熱容量；且^V2T = d/dx(k ΒΤβχ)+a/a.v (k dT/dy)+ dfdz (Jt ar/d z)
O圖4C是使用熱量方程式(1)的修改形式執(zhí)行的模擬以通過兩種不同類型的激光脈沖模擬熱動(dòng)力學(xué)。所使用的兩個(gè)脈沖的形狀為具有相同峰值(如圖4A及圖4B的實(shí)例性波形中所展示的每單位1)的大體三角形，但其具有不同時(shí)間曲線。一個(gè)脈沖具有5 μ sec 上升時(shí)間，而另一脈沖具有100μ sec上升時(shí)間。對(duì)于相同材料，模擬展示上升時(shí)間中的大差異將影響在材料中升高溫度的效率且因此影響燒蝕的效率。因此，片材料16載入有內(nèi)部熱量，其在延長(zhǎng)的上升時(shí)間期間影響壁及邊緣質(zhì)量。為檢驗(yàn)?zāi)M，使用C02激光器以不同時(shí)間曲線(也就是說(shuō)，快速上升時(shí)間脈沖及慢上升時(shí)間脈沖)切割穿過塑料片，且結(jié)果展示于圖5A及圖5B中。圖5A展示通過CW激光器18及AOM 20 (快速上升時(shí)間脈沖)切割的切口輪廓，且圖5B展示通過普通脈沖C02激光器(慢上升時(shí)間脈沖)切割的切口輪廓。圖5B中的切割的初始點(diǎn)展示更顯著的熱效應(yīng)。 也就是說(shuō)，使用矩形脈沖激光處理的圖5A中的切口輪廓比使用具有相對(duì)慢的上升時(shí)間的脈沖激光處理的圖5B中的切口輪廓展示更小的熱效應(yīng)，例如脫色及燃燒。此測(cè)試證實(shí)所述模擬。當(dāng)材料移除速率飽和時(shí)，效率走低。較多激光功率用于加熱等離子及鄰近材料。作為結(jié)果發(fā)生的效應(yīng)是使切口壁熔融及/或增大切口及/或因使頂部涂層層離而使頂部表面脫色。在圖5B中可見，三角形脈沖還產(chǎn)生更大直徑切口。當(dāng)需要具有小錐度的壁時(shí)，期望避免產(chǎn)生等離子引發(fā)的燃燒。在十一個(gè)路線之后此種熱效應(yīng)展示于圖8中在切口的邊緣中， 如下文所描述。本發(fā)明的實(shí)施例更期望使用快速上升時(shí)間脈沖(例如，矩形脈沖)，因?yàn)槠涓子诒苊獯朔N產(chǎn)生，且本文中所展示的實(shí)例使用此種脈沖。然而，也可使用較慢上升時(shí)間脈沖。關(guān)于圖6A到圖6C、圖7A及圖7B更詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的一種工藝。廣義上， 所述工藝包含至少兩個(gè)步驟。第一步驟是使用根據(jù)第一刀具路徑(舉例來(lái)說(shuō)，通常存儲(chǔ)為刀具路徑文件以供控制器44實(shí)施)執(zhí)行若干個(gè)路線的激光器移除材料。第一步驟優(yōu)選地在材料移除的線性區(qū)中執(zhí)行，也就是說(shuō)，使用第一刀具路徑的額外路線繼續(xù)移除材料而無(wú)飽和的跡象之處。換句話說(shuō)，線性部分意指輸入功率線性地用于材料移除。當(dāng)坡度減小時(shí) (舉例來(lái)說(shuō)，如圖1中所示)，材料移除的效率走低。然而，在一些情形中，尤其在線性區(qū)較小且/或切口 10的所需深度較深的情況下，第一步驟可繼續(xù)到飽和區(qū)中。此在完成的邊緣的要求是使得其外觀上存在一些靈活性的情況下尤其如此。圖6A展示在根據(jù)多個(gè)路線的第一步驟期間形成切口 10的激光器的入射束12。通常在第一步驟中移除材料的大部分。第二或最后步驟涉及使用第二刀具路徑通過從第一刀具路徑的橫向移位(也就是說(shuō)，從由第一步驟產(chǎn)生的軌跡(此處，圖6A中所示的切口 10)的橫向移位)執(zhí)行至少一個(gè)額外路線。當(dāng)然，本發(fā)明并不限于第二步驟且可包括額外步驟，其中進(jìn)一步調(diào)整χ軸、ζ軸或兩者。圖6B展示在借助此種橫向移位的第二步驟期間圖6A的切口 10。此第二步驟允許激光器(例如CW激光器18)與材料更好地耦合，因?yàn)檩^少入射束12由等離子(被燒蝕材料)14吸收及/或偏轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)，可最小化燒蝕的飽和，因?yàn)榧す馐窂讲槐灰龑?dǎo)到等離子14。圖6B展示包括橫向移位(也稱為χ軸移位)及如前文關(guān)于圖2B所論述的ζ軸移位兩者的替代第二步驟。根據(jù)此實(shí)施例，第二步驟還改善錐度以移除切口 10的底部附近的材料且改善壁質(zhì)量。由于在第二步驟的路線中材料與激光器(具體來(lái)說(shuō)，入射束12)的更好耦合對(duì)繼續(xù)根據(jù)第一刀具路徑施加路線，最小化熱效應(yīng)。參照?qǐng)D7A及圖7B更清楚地描述橫向移位或χ軸移位。在可能的情況下，第一步驟在工藝變得飽和之前燒蝕一些材料，且提供小于所要的切口寬度w2的所規(guī)定尺寸的切口寬度wl。舉例來(lái)說(shuō)，第一刀具路徑施加多個(gè)路線以形成圓圈，如圖7A中所示。接著，第二步驟以沿橫向(χ軸)方向的一些移位施加第二刀具路徑的一個(gè)或一個(gè)以上路線，如圖7B 中所示。對(duì)于第二步驟，也可調(diào)整ζ高度以用于更深切割，如關(guān)于圖6C所描述。以此方式， 第二步驟提供如虛線所示的所要切口寬度的切口 10且也可與ζ軸移位相關(guān)聯(lián)。如圖7A及圖7B中所示，切割為圓形切割，從而產(chǎn)生圓形切口 10。然而，本發(fā)明可適用于其它切割，包括具有線性段的切割。任何情況下的第二刀具路徑可并入有相對(duì)于切口的中心或由第一步驟產(chǎn)生的軌跡的橫向移位。如果應(yīng)用是裁切，且被移除件(例如，圖7A 中的圓形件)的質(zhì)量不重要，那么如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知，第一步驟可為相對(duì)迅速的切割，只要其在第二步驟之后不留下太多熱效應(yīng)即可。以此方式，可以最佳參數(shù)施加第二步驟以實(shí)現(xiàn)最小熱效應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生開口的干凈邊緣。如所提及，最優(yōu)選地在材料移除的線性區(qū)中執(zhí)行第一步驟中的若干個(gè)路線。此線性區(qū)取決于材料的受熱量影響的地帶。在已知的受熱量影響的地帶的范圍的情況下，進(jìn)行 χ及/或ζ移位以擴(kuò)大線性區(qū)，從而界定具有適當(dāng)橫向移位的多個(gè)刀具路徑文件。參照?qǐng)D8及圖9最好地解釋這些步驟的細(xì)節(jié)。在圖8及圖9的實(shí)例中，片材料16為具有30 μ m厚的易碎涂層的約Imm厚塑料 (聚碳酸酯)。期望邊緣在激光處理之后為尖銳的。在單個(gè)路線中，受熱量影響的地帶與脈沖寬度的平方根成比例。也就是說(shuō)，可通過方程式( 大致估計(jì)擴(kuò)散長(zhǎng)度或受熱量影響的地帶5 φk為熱(熱量)導(dǎo)率；且Tp為脈沖寬度。由于此關(guān)係，優(yōu)選地使用短脈沖，但材料移除速率隨著脈沖能量而增加，脈沖能量為脈沖寬度與峰值高度的乘積。為限制此測(cè)試的變量，峰值高度是固定的。因此，脈沖寬度是針對(duì)熱效應(yīng)及通量而要調(diào)整的變量。即使當(dāng)在第一步驟路線之間包括給予材料冷卻的時(shí)間的時(shí)間時(shí)及當(dāng)調(diào)整重復(fù)速率時(shí)等等，材料移除速率也隨著路線的數(shù)目增加而飽和，大概是由于吸收許多入射束的等離子限制于溝槽內(nèi)部。雖然方程式( 大致估計(jì)在一個(gè)路線中受熱量影響的地帶，但此估計(jì)的準(zhǔn)確性隨著路線的數(shù)目而快速降低。受熱量影響的地帶在熱效應(yīng)但非燒蝕在其處發(fā)生的切口外部。 可將蝕刻深度估計(jì)為材料的吸收系數(shù)的倒數(shù)。給定蝕刻深度，可使用基于實(shí)驗(yàn)(例如圖1 中所示的實(shí)驗(yàn))的經(jīng)驗(yàn)性方程式來(lái)預(yù)測(cè)線性區(qū)?；蛘撸稍趫?zhí)行一個(gè)以上路線時(shí)修改熱量方程式(1)以在空間及時(shí)間上估計(jì)材料的熱動(dòng)力學(xué)，且因此其可用于估計(jì)受熱量影響的地帶。如本文中所描述，以實(shí)驗(yàn)方式完成界定受熱量影響的地帶及確定第一及第二數(shù)目個(gè)路線連同橫向及/或ζ軸(或ζ高度)移位。給定所需切口輪廓及包含具有30 μ m厚的易碎涂層的約Imm厚塑料(聚碳酸酯)的片材料16，以常規(guī)方式應(yīng)用選擇脈沖特性的方法。 此使用具有5. 1 μ sec長(zhǎng)的脈沖的50KHz激光器以150mm/s的路線速度產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)條件。光圈38具有500 μ m的直徑以將束的功率消減20%，且所得脈沖在25KHz下具有95%的負(fù)載循環(huán)。執(zhí)行第一步驟中的若干個(gè)路線且以路線數(shù)目1、3、5、7、9及11進(jìn)行對(duì)深度的測(cè)量以便確定材料移除的速率何時(shí)飽和。如圖8中所示，飽和在五(5)個(gè)路線之后開始。此處， 針對(duì)第一步驟選擇的路線的數(shù)目為五(5)個(gè)路線。沒有必要挑選線性區(qū)中的路線的數(shù)目， 但在需要干凈邊緣且材料具有較寬線性區(qū)的情況下此為優(yōu)選地。依據(jù)對(duì)邊緣質(zhì)量的要求， 可選擇較大數(shù)目個(gè)路線?？筛鶕?jù)邊緣質(zhì)量(例如，錐度及通量)來(lái)確定針對(duì)第二步驟沿χ 軸移位多少。如果與切口寬度相比移位太小，那么可不能以線性方式更遠(yuǎn)地深入到材料中。 在不受理論限制的情況下，這是因?yàn)樗a(chǎn)生的等離子14不具有足夠的空間擴(kuò)展(散出)以減小其與入射束I2之間的耦合。此處，以實(shí)驗(yàn)方式確定移位量。ζ高度(也就是說(shuō)，ζ軸方向)上的移位量可取決于材料，但目標(biāo)是找出最佳移位量以便以線性方式將移除速率擴(kuò)展超過單步驟工藝將如此以移除額外材料同時(shí)最小化損壞的點(diǎn)。第一路線與隨后的路線在空間上彼此重疊。圖9展示各種工藝方法中的燒蝕對(duì)路線數(shù)目。單步驟工藝僅增加路線的數(shù)目而不改變第一刀具路徑的任何參數(shù)。第二步驟并入有橫向移位(X移位)及/或Z高度改變。在圖9中可見，作為第二步驟的具有橫向及ζ高度調(diào)整的兩步驟工藝改善燒蝕工藝，因?yàn)榭稍跍p小的熱效應(yīng)的情況下實(shí)現(xiàn)切割的額外深度。在圖9中，路線的總數(shù)目為第一及第二步驟中的路線的和，其中第一步驟包含五( 個(gè)路線。χ軸移位為50 μ m，而ζ高度從頂部表面移動(dòng)到頂部表面以下700 μ m。本發(fā)明的實(shí)施例通過添加包括橫向及/或y軸移位的第二步驟而最大化激光器與材料之間的耦合。此獲得具有最小錐度及尖銳切口邊緣的壁。獲得具有最小錐度及尖銳切口邊緣的壁。所述壁還顯示最小熱效應(yīng)，例如過度熔融及脫色。因此，處理期間材料的移除得到優(yōu)化。雖然已結(jié)合某些實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明并不限于所揭示的實(shí)施例，而是相反，本發(fā)明既定涵蓋所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)所包括的各種修改及等效布置，所述范圍與最廣泛的解釋一致，以便包含法律準(zhǔn)許的所有此些修改及等效結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種用以使用激光器切割片材料的方法，其中的改善包含使用所述激光器的第一刀具路徑執(zhí)行第一多個(gè)路線；及在使用所述第一刀具路徑執(zhí)行所述第一多個(gè)路線之后使用所述激光器的第二刀具路徑來(lái)執(zhí)行至少一第二路線，所述第二刀具路徑從由于執(zhí)行所述第一多個(gè)路線而由所述激光器形成的切口橫過。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述激光器的脈沖為具有小于1微米的上升時(shí)間的矩形脈沖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其進(jìn)一步包含確定所述第二刀具路徑相對(duì)于所述第一刀具路徑的移位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述第二刀具路徑包括從所述第一刀具路徑的ζ 高度移位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中執(zhí)行所述第一多個(gè)路線在材料移除的線性區(qū)中發(fā)生。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其進(jìn)一步包含確定所述第一多個(gè)路線的路線數(shù)目。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中確定所述路線數(shù)目包含通過實(shí)驗(yàn)確定所述材料移除的所述線性區(qū)；及基于所述實(shí)驗(yàn)選擇所述路線數(shù)目。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中確定所述路線數(shù)目包含使用所述第一刀具路徑對(duì)所述片材料的樣本執(zhí)行至少三個(gè)路線；及選擇所述至少三個(gè)路線中的一者作為所述路線數(shù)目。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中執(zhí)行至少一第二路線包含在執(zhí)行所述第一多個(gè)路線之后使用所述激光器的所述第二刀具路徑執(zhí)行多個(gè)第二路線。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其進(jìn)一步包含在執(zhí)行所述至少所述第二路線之后使用所述激光器的第三刀具路徑執(zhí)行至少一第三路線，所述第三刀具路徑包括從所述第一刀具路徑的ζ高度移位。
全文摘要
通過以下方式來(lái)改善使用激光器切割片材料的工藝使用所述激光器的第一刀具路徑執(zhí)行第一多個(gè)路線且在使用所述第一刀具路徑執(zhí)行所述第一多個(gè)路線之后使用所述激光器的第二刀具路徑來(lái)執(zhí)行至少一第二路線，所述第二刀具路徑從由于執(zhí)行所述第一多個(gè)路線而由所述激光器形成的切口橫過?？膳c橫向移位同時(shí)實(shí)施z高度移位。通過移位所述刀具路徑，通過最大化所述激光器與所述材料的耦合而最小化在激光處理期間產(chǎn)生的等離子的干擾，從而導(dǎo)致所述材料的較少脫色及/或燃燒。
文檔編號(hào)B23K26/40GK102348529SQ201080011500
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者大迫康 申請(qǐng)人:電子科學(xué)工業(yè)有限公司